Teorija relativnosti v preprostih besedah za telebane kratko in jasno
Dejansko obstajata dve teoriji relativnosti: splošna in posebna. Korenito so spremenili predstave o osnovnih lastnostih materije, prostora in časa. Določbe posebne teorije relativnosti so bile prvič objavljene leta 1905, splošne pa leta 1915.
Zgodovina teorije
Albert Einstein je pri ustvarjanju svoje teorije za osnovo vzel eksperimentalne podatke. Poskušal jih je razložiti s samo dvema postulatoma:
- Enakost vseh referenčnih sistemov, ki se gibljejo s konstantno in premočrtno hitrostjo.
- Stalnost svetlobne hitrosti v katerem koli referenčnem sistemu.
S pomočjo doslednega logičnega sklepanja in s pomočjo matematike je ustvaril teorijo, ki je v celoti potrjena s podatki znanstvenih poskusov.
V 19. stoletju so fiziki iskali skupno osnovo za prostor in čas. Šteli so. Da obstaja posebno okolje - eter, v katerem so predmeti materialnega sveta. Veljalo je, da je to materialni substrat, katerega vibracije so svetlobni valovi. Fiziki tistega časa in pozneje niso mogli najti prepričljivih dejanskih dokazov o obstoju etra. Albert Einstein je opustil ta pristop in ponudil svojo razlago.
Teorija relativnosti v preprostih besedah za telebane
Prej, pred njegovim nastankom, je veljalo, da obstajajo tri prostorske dimenzije in ena časovna ter so popolnoma neodvisne druga od druge. Pravzaprav se je izkazalo, da predstavljajo en sam štiridimenzionalni prostor-časovni kontinuum.
Prej so verjeli, da je gravitacija sila, ki deluje med predmeti, katere velikost je odvisna od njihove mase. Teorija relativnosti je ta pojav razložila drugače. Izkazalo se je, da objekti s svojo maso upogibajo prostorsko-časovni kontinuum, posledica tega pa je gravitacijska sila.
Teorija je dobila ime po načelu relativnosti. Ko oseba vidi premikajoči se predmet. To pomeni, da se premika relativno nanj. Če se premika z enako hitrostjo in v isto smer, bo predmet zanj miroval.
Vendar teorija trdi, da je svetlobna hitrost izjema. Ostaja konstanten v katerem koli koordinatnem sistemu. To načelo lahko ponazorimo z naslednjim miselnim eksperimentom.
Če obstaja ladja, ki leti s svetlobno hitrostjo in oddaja svetlobo v smeri svojega gibanja, bo hitrost slednje enaka hitrosti svetlobe v vakuumu.Nepremični opazovalec vidi hitrost, s katero leti ladja, in svetlobo, ki jo oddaja. Oba objekta bosta imela enako hitrost. Svetloba se ne bo premikala hitreje.
Specialna relativnost obravnava procese, ki se dogajajo v koordinatnih sistemih, ki se premikajo s konstantno hitrostjo. Splošno upošteva tudi učinke, ki so povezani s pospeški ali gravitacijskimi pojavi. Teorija relativnosti trdi, da se naravni zakoni manifestirajo na enak način v katerem koli enakomerno gibajočem se ali mirujočem koordinatnem sistemu.
V tem videu se lahko podrobno seznanite s paradoksi relativnostne teorije:
Načela teorije
Da bi bolje razumeli razlage, ki jih daje teorija relativnosti, morate bolje razumeti, kaj je štiridimenzionalni prostor-časovni kontinuum. Prostorske in časovne koordinate, ki smo jih navajeni, so projekcije kontinuuma, ki ga vidimo in zaznavamo.
Telesa se ne spreminjajo, gibljejo se v kontinuumu, ampak se spreminjajo projekcije, katerih zaznava je človeku na voljo. To je tisto, kar zaznavamo kot dilatacijo časa ali vzdolžno krčenje.
Upočasnitev časa
Ta pojav lahko nazorno prikažemo tudi v obliki miselnega eksperimenta. Predstavljajte si opazovalca, ki miruje, in drugega, ki leti pred njim od leve proti desni v vesoljski ladji z veliko hitrostjo.
Ladja ima dve ogledali: na tleh in na stropu. Svetloba potuje od spodaj navzgor in obratno. Za osebe, ki stojijo drug poleg drugega, se razdalja med ogledali izračuna v ravni črti.
Opazovalec v mirovanju vidi poševno pot med premikanjem ladje. Ker je svetlobna hitrost enaka, bo čas, ki ga potrebuje svetloba za premikanje med ogledali, različen. Ker je v prvem primeru gibanje pravokotno na tla, v drugem pa vzdolž nagnjenega.
Tako bo določeno dejanje trajalo drugačen čas. Njegovo trajanje bo določeno z relativnim gibanjem med referenčnimi sistemi.
Vzdolžna redukcija
Stalnost svetlobne hitrosti predpostavlja, da med gibanjem pride do krčenja v smeri gibanja. Ta pojav je zapleten. To je mogoče razložiti na naslednji način.
Predpostavimo, da ima opazovalec na Zemlji sobo, katere razdalja med stenami je 10 m Svetloba, ki prehaja od zadnje do sprednje stene, bo porabila čas t.
Z vidika opazovalca na ladji, ki leti v vesolje, bo videl svetlobo, ki leti z enako hitrostjo, vendar se mu bo zdelo, da se prednja stena premika proti njemu in zadnja stena se odmika. Tako svetloba s konstantno hitrostjo potrebuje manj časa in prepotuje krajšo razdaljo.Tako bo razdalja med stenami manjša.
Oba opazovalca imata prav. Razdalja je obravnavana v štiridimenzionalnem kontinuumu in se v njem ne spreminja. Toda z vidika osebe bo prišlo do zmanjšanja razdalje v smeri gibanja.
Simultanost
V predstavitvi klasične fizike je čas neodvisna koordinata, ki ima absolutni značaj. Z drugimi besedami, vsak dogodek ustreza določenemu trenutku v času. Tisti, pri katerih sovpada, se lahko štejejo za sočasne. Teorija relativnosti se ne strinja s tem pristopom.
Nekdo se bo morda vprašal, zakaj je teorija razložena s pomočjo miselnih konstrukcij, ali ni mogoče preprosto pokazati na dejstva – pravzaprav je mogoče. Vendar je treba upoštevati, da so ti učinki dobro vidni pri velikanskih hitrostih in kozmičnih razdaljah. Trenutna raven znanosti in tehnologije omogoča zelo natančne meritve.Študija je pokazala, da pridobljeni podatki potrjujejo pravilnost teorije.
Za ponazoritev novega koncepta simultanosti lahko izvedemo miselni eksperiment. Predstavljajmo si, da je hitrost svetlobe tako nizka, da lahko vizualno vidite, kako se svetloba premika od pravkar prižgane svetilke do stene. Svetilka je bila nameščena na enaki razdalji od sten. Po vklopu je oseba, ki je stala v prostoru, videla, kako so žarki istočasno dosegli njihovo površino. Z njegovega vidika se je vse zgodilo v enem trenutku.
Recimo, da je pred njim okno v steni. Opazovalec se premika mimo njega od zunaj s konstantno hitrostjo. Pogleda skozi okno in vidi svetlobo, ki se premika proti stenam. Težava je v tem, da bo hitrost svetlobe za oba opazovalca enaka. Zato bo drugi opazovalec videl različne slike glede gibanja svetlobe proti sprednji in zadnji steni (glede na smer gibanja).
Videl bo, da se zadnja stena približuje viru svetlobe, sprednja pa se odmika.Ker je hitrost gibanja enaka, se bo prvi dogodek zgodil prej, drugi pa pozneje. Tako ne bo hkratnosti. Vendar bosta imela oba opazovalca enako prav: "sočasnost je relativna in odvisna od koordinatnega sistema opazovalca."
V resničnem življenju je ta učinek neopazen, saj je hitrost opazovalca v primerjavi z mejo zelo počasna. V vesolju je takšne učinke mogoče popraviti eksperimentalno.
Masa in energija
Drugo odkritje je potrditev splošne narave snovi in energije. To potrjuje znana formula E=mc^2. Ko se hitrost poveča, se masa poveča. Težji kot je, težje je povečati hitrost - to zahteva vedno več energije. Ko se približuje svetlobni hitrosti, masa in energija naraščata v neskončnost. Povezava med maso in energijo je temeljna - uveljavlja možnost njunega preoblikovanja ena v drugo.
Ta video podaja razlago glavnih določb relativnostne teorije:
FAQ
Ali obstaja gibanje s pospeševanjem pod vplivom gravitacije – na to vprašanje bo pomagal odgovoriti naslednji miselni poskus. Lahko si predstavljate, da je oseba v prosto padajočem dvigalu. Potem bodo on in vsi predmeti izkusili breztežnost in se gibali, kot da bi bili v vesolju in se gibali s konstantno hitrostjo.
Ti dve državi je nemogoče razlikovati. Gibanje pod vplivom gravitacije v štiridimenzionalnem kontinuumu je enakomerno. Toda z vidika ljudi je videti pospešeno. To je posledica dejstva, da masivna telesa izkrivljajo prostor-čas. Tako gravitacija ni sila, ampak popačenje prostora-časa.
Včasih je ukrivljenost razložena na naslednji način. Predstavljamo si lahko dvodimenzionalno elastično površino, na kateri se nahajajo masivna telesa, ki se potiskajo skoznjo. Če se telesa enakomerno premikajo mimo njih, se bodo premikala in ponavljala krivulje površine.
Črna luknja v okviru te ilustrativne slike je videti kot zelo težek predmet, ki se skozenj tako močno potisne, da so se robovi vdolbine zaprli. Tako tisto, kar je prišlo v mehurček, nima več možnosti, da bi izbruhnilo.
Postavlja se vprašanje, kako neverjetno sklepanje in miselni eksperiment, podano v članku, ustreza resničnosti. Kljub temu, da je na prvi pogled v teoriji veliko nenavadnega in nenavadnega, pa znanost najde vedno več potrditev.
Razumeti je treba, da se najpopolneje opisani učinki manifestirajo pri hitrostih blizu svetlobne hitrosti in v velikanskih kozmičnih merilih. Znanstveniki preizkušajo, kaj sledi iz te teorije. Trenutno stanje znanosti in tehnologije ponuja priložnost za prepričljivo potrditev glavnih določb teorije.
Na primer, znano je, da se mora svetloba upogibati okoli teles zaradi obstoja gravitacijskih popačenj.Med opazovanjem v vesolju je bilo ugotovljeno, da postanejo vidni oddaljeni predmeti, ki bi jih pravzaprav morali zakriti bližnji. To je posledica dejstva, da svetloba, ki prihaja iz njih, obide ovire.
Močna gravitacija povzroči upočasnitev časa. GPS in GLONASS morata uporabljati zelo natančen čas za delovanje. Upoštevati morajo dilatacijo časa zaradi gravitacije. Če na to ne bi bili pozorni, bi lahko napaka pri določanju točke na zemeljskem površju presegla 10 km.
Napoved obstoja črnih lukenj - zasluga relativnostne teorije. Ti predmeti imajo tako močno gravitacijo, da se tam čas popolnoma ustavi. Če svetloba vstopi vanjo, potem ne more ven. Astronomi so s sodobnimi raziskovalnimi metodami potrdili obstoj črnih lukenj.
Znanstveniki so večkrat natančno izmerili hitrost svetlobe iz različnih virov. Vedno ima enako vrednost.Na primer, svetloba, ki jo oddaja Sonce ali oddaljena zvezda, bi morala imeti na prvi pogled določene razlike v hitrosti. Sodobna tehnologija omogoča meritve z zelo visoko natančnostjo, vendar je bilo ugotovljeno, da te vrednosti sovpadajo.
Vprašanje za strokovnjaka V razlagah glavnih določil je veliko miselnih poskusov in abstraktnega sklepanja. Je ta teorija le miselni konstrukt ali ima praktične dokaze?
Članek podaja primere, ki pomagajo razumeti osnovna načela prostorsko-časovnega kontinuuma. Pravzaprav govorimo le o osnovnih pojmih. Teorija je veliko bolj kompleksna, ima strogo utemeljitev in jo potrjujejo sodobni znanstveni podatki.
